В данной статье мы рассмотрим основные понятия и свойства электрического поля, а также его связь с электрическим потенциалом и потенциальной энергией.
Основы электротехники: понятные определения и свойства электрического поля обновлено: 10 ноября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру
Помощь в написании работы
Добро пожаловать на лекцию по электротехнике! В этой лекции мы будем изучать основы электрического поля и его свойства. Электрическое поле является одним из фундаментальных понятий в электротехнике и играет важную роль в понимании электрических явлений.
Мы начнем с определения электрического поля и изучим его свойства, включая закон Кулона. Затем мы рассмотрим электрический потенциал и его связь с электрическим полем. Наконец, мы обсудим потенциальную энергию в электрическом поле.
Цель этой лекции – представить вам основные концепции и идеи, связанные с электрическим полем, и помочь вам понять их суть. Давайте начнем!
Нужна помощь в написании работы?
Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Электрическое поле
Электри́ческое по́ле (векторное поле), одна из двух компонент электромагнитного поля. В вакууме электрическое поле характеризуется вектором напряжённости электрического поля E E E , который определяет силовое действие электрического поля. В среде электрическое поле дополнительно характеризуется вектором электрической индукции D D D . Под электрическим полем в среде понимают электрическое поле, усреднённое по физически малому объёму (содержащему достаточно большое число атомов среды, но однородному по физическим свойствам). Электрическое поле порождается электрическими зарядами и переменным магнитным полем . Распределение электрического поля в пространстве можно изобразить с помощью силовых линий – линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением E E E . Электрическое поле имеет потенциальную и вихревую (соленоидальную) компоненты. Потенциальная компонента создаётся электрическими зарядами, а силовые линии, соответствующие этой компоненте, начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах. Вихревая компонента электрического поля возникает при изменении во времени вектора магнитной индукции , а силовые линии, соответствующие этой компоненте, являются замкнутыми. Электрическое поле вместе с магнитным полем являются двумя компонентами единого электромагнитного поля, которое описывается уравнениями Максвелла .
ФИЗИКА 8 класс : Электрическое поле | Видеоурок
Опубликовано 1 февраля 2023 г. в 14:06 (GMT+3). Последнее обновление 1 февраля 2023 г. в 14:06 (GMT+3). Связаться с редакцией
Информация
Области знаний: Электрическое поле
Взаимодействие заряженных тел. Электрическое поле
Поле одного заряженного тела действует с некоторой силой на второе тело. А поле второго тела действует с некоторой силой на первое тело.
Рис. 1 . Изображение взаимодействия заряженных тел
Именно этим можно объяснить взаимодействие двух заряженных тел — либо притяжение, либо отталкивание (рис. 1 ).
В физике принято, что материя существует в виде вещества и в виде поля.
Поле — материальная среда, передающая воздействие тел друг на друга в том числе в вакуумной среде.
Электростатическое поле — поле, передающее воздействие одного неподвижного электрического заряда на другой электрический заряд.
Сила, с которой электрическое поле одного заряда действует на внесённый в него другой электрический заряд, называется электрической силой .
Сила воздействия электрического поля на заряд уменьшается по мере удаления.
На рисунке изображены положения одного и того же шарика в точках (1), (2), (3) в разное время. Чем дальше расположен маленький положительно заряженный шарик, тем меньше воздействие на него большого положительного заряженного шара и меньше угол отклонения подвеса шарика (рис. 2 ).
Рис. 2 . Изображение взаимодействия электрического поля и зарядов
Так как электрическое поле большого шара перемещает маленькие шары (отклоняет их на некоторый угол), можно утверждать, что оно совершает работу, а следовательно, обладает энергией.
Для наблюдения электростатического поля в безвоздушной среде электроскоп помещают под колокол воздушного насоса (рис. 3 ). Откачивая воздух, получают технический вакуум. Угол отклонения положительно заряженных листочков электроскопа не изменился.
Рис. 3 . Изображение электроскопа
В безвоздушной среде электростатическое поле действует на заряды с той же силой, что и в воздухе.
Электрическое поле можно изобразить графически с помощью силовых линий электрического поля (рис. 4 ), которые имеют направление (выходят из положительного заряда; входят в отрицательный заряд).
Электрическое поле
положительного заряда
Электрическое поле
отрицательного заряда
Рис. 4 . Изображение силовых линий электрического поля
Взаимодействие двух заряженных тел можно наблюдать при помощи электрических султанов, подключённых к электрофорной машине (рис. 5 ).
Электрическое поле
Взаимодействие электрических зарядов объясняется тем, что вокруг каждого заряда существует электрическое поле. Электрическое поле заряда – это материальный объект, оно непрерывно в пространстве и способно действовать на другие электрические заряды. Электрическое поле неподвижных зарядов называется электростатическим. Электростатическое поле создается только электрическими зарядами, существует в пространстве, окружающем эти заряды и неразрывно с ними связано.
Возьмем некоторую точку поля и будем помещать в нее различные заряды. Со стороны поля на них будет действовать сила. Отношение силы, действующей на заряд со стороны поля, к этому заряду, будет постоянным в данной точке поля. Оно:
- не зависит от модуля помещенного заряда,
- зависит от расположения выбранной точки поля.
То есть это отношение характеризует свойства поля в выбранной точке. Оно называется напряженностью электрического поля:
Напряженность электрического поля – это физическая величина, численно равная силе, действующей на единичный заряд, помещенный в данную точку поля.
За направление вектора напряженности принимают направление силы, действующей на точечный положительный заряд.
Линии напряженности электрического поля (силовые линии) – это линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с вектором напряженности. Силовые линии:
- имеют начало и конец;
- начинаются на положительном заряде или в бесконечности
- кончаются на отрицательном заряде или в бесконечности
- нигде не пересекаются
Однородное электрическое поле – это такое поле, во всех точках которого напряженность имеет одно и то же абсолютное значение и направление. Приблизительно однородным является электрическое поле между двумя разноименно заряженными металлическими пластинами. Силовые линии такого поля являются прямыми одинаковой густоты.
Если на заряд действуют одновременно несколько электрических полей, то напряженность поля равна векторной сумме напряженностей всех полей (принцип суперпозиции):
Проводниками называются тела, способные пропускать через себя электрические заряды. Это свойство проводников объясняется наличием в них свободных носителей заряда. Примерами проводников могут быть металлы и растворы электролитов.
Если взять металлический проводник и один его конец поместить в электрическое поле, то на данном конце появится электрический заряд. Согласно закону сохранения электрического заряда, на другом конце проводника появится равный ему по модулю и противоположный по знаку заряд. Явление разделения разноименных зарядов в проводнике, помещенном в электрическое поле, называется электростатической индукцией.
При внесении в электрическое поле проводника свободные заряды в нем приходят в движение. Перераспределение зарядов вызывает изменение электрического поля. Движение зарядов прекращается только тогда, когда напряженность электрического поля внутри проводника становится равной нулю.
Свободные заряды перестают перемещаться вдоль поверхности проводящего тела при достижении такого распределения, при котором вектор напряженности электрического поля в любой точке перпендикулярен поверхности тела. Поэтому в электрическом поле поверхность проводника любой формы является эквипотенциальной поверхностью (см. ниже).
Электростатическое поле внутри проводника равно нулю, весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности.
Заряд, сообщенный проводнику, распределится по его поверхности не равномерно. Поверхностной плотностью заряда называется физическая величина, равная отношению заряда к площади, на которой он расположен:
Чем больше кривизна поверхности, тем больше поверхностная плотность заряда. Заряды скапливаются на выступах или остриях.
Методы расчета электрического поля
Для расчётов параметров используются различные аналитические или численные методы:
- метод сеток или конечных разностей;
- метод эквивалентных зарядов;
- вариационные методы;
- расчёты с использованием интегральных уравнений и другие.
Выбор конкретного метода зависит от сложности задачи, но в основном используются численные методы, приведённые в списке.
Использование
Изучение свойств электрического поля открыло перед человечеством огромные возможности. Способность поля перемещать электроны в проводнике позволила создавать источники тока.
На свойствах электрических полей создано различное оборудование, применяемое в медицине, химической промышленности, в электротехнике. Разрабатываются приборы, применяемые в сфере беспроводной передачи энергии к потребителю. Примером могут послужить устройства беспроводной зарядки гаджетов. Это пока только первые шаги на пути к передачи электричества на большие расстояния.
Сегодня, благодаря знаниям о свойствах полевой формы материи, разработаны уникальные фильтры для очистки воды. Этот способ оказался дешевле, чем использование традиционных сменных картриджей.
К сожалению, иногда приходится нейтрализовать силы полей. Обладая способностью электризации предметов, оказавшихся в зоне действия, электрические поля создают серьёзные препятствия для нормальной работы радиоэлектронной аппаратуры. Накопленное статическое электричество часто является причиной выхода из строя интегральных микросхем и полевых транзисторов.
Электроемкость и конденсатор
Электроемкость – количественная мера способности проводника удерживать заряд.
Простейшие способы разделение разноименных электрических зарядов – электризация и электростатическая индукция – позволяют получить на поверхности тел не большое количество свободных электрических зарядов. Для накопления значительных количеств разноименных электрических зарядов применяются конденсаторы.
Конденсатор – это система из двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Так, например, две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделенные слоем диэлектрика, образуют плоский конденсатор.
Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность электрического поля между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность поля у одной пластины. Вне пластин напряженность электрического поля равна нулю, т. к. равные заряды разного знака на двух пластинах создают вне пластин электрические поля, напряженности которых равны по модулю, но противоположны по направлению.
Электрический ток
Это направленное движение заряженных частиц. В металлах носителями тока являются свободные электроны, в электролитах – отрицательные и положительные ионы, в полупроводниках – электроны и дырки, в газах – ионы и электроны. Количественной характеристикой тока является сила тока.
Источниками могут служить – гальванический элемент(происходят хим. реакции и внутренняя энергия, превращается в электрическую) и аккумулятор(для зарядки через него пропускают постоянный ток, в результате химической реакции один электрод становиться положительно заряженным, другой – отрицательно.
Действия электрического тока: тепловое, химическое, магнитное.
Направление электрического тока: от + к –
Направленное движение заряженных частиц
Поэтому достаточным условием для существования тока является наличие электрического поля и свободных носителей заряда. О наличии тока можно судить по явлениям, которые его сопровождают: Проводник, по которому течет ток, нагревается. Электрический ток может изменять химический состав проводника.
Силовое воздействие на соседние точки и намагниченные тела.
При существовании электрического поля внутри проводника, на концах его существует разность потенциалов. Если она не меняется, то в проводнике устанавливается постоянный электрический ток.
Идея электрического поля была введена М. Фарадеем и теоретически обоснована Дж. Максвеллом.
Электрическое поле это вид материи посредством которого осуществляется взаимодействие электрических зарядов.
Электрическое поле неподвижных зарядов не меняется со временем и называется электростатическим полем .
Свойства электрического поля:
- Порождается электрическим зарядом.
- Обнаруживается по действию на заряд.
- Действует на заряд с некоторой силой.
- Распространяется в пространстве с конечной скоростью с=3·10 8 м/с.
Силовой характеристикой электрического поля является напряженность.
Напряженность электрического поля – векторная физическая величина, равная отношению силы , действующей на пробный точечный заряд q, к этому заряду:
Направление вектора напряженности совпадает с направлением вектора кулоновской силы.
Напряженность поля не зависит от значения пробного заряда q; определяется зарядами – источниками поля, является силовой характеристикой этого поля.
Единица в СИ – Н/Кл или В/м.
Поле, напряженность которого в любой точке одинакова (E = const), называют однородным.
Напряженность точечного электрического заряда в данной точке зависит от модуля заряда Q и от расстояния до этого заряда R.
Каждый электрический заряд создает в пространстве электрическое поле независимо от наличия других электрических зарядов. В этом заключается принцип суперпозиции электрических полей .
Электрические поля изображаются графически с помощью линий напряженности .
Неоднородное электрическое поле
Силовая линия (линия напряженности) электрического поля – линия, в каждой точке которой напряженность поля направлена по касательной. Силовые линии поля в электростатике начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Густота силовых линий пропорциональна модулю вектора напряженности.
Однородное электрическое поле
На электрический заряд помещенный в однородное электрическое поле действует кулоновская сила способная совершать работу по перемещению электрического заряда.
Работа электрического поля не зависит от формы траектории и на замкнутой траектории равна нулю. Такие поля называются потенциальными. Для этих поле характерна незамкнутость линий напряженности.
Энергетической характеристикой электрического поля является потенциал (разность потенциалов), скалярная физическая величина, выражаемая в вольтах (В); 1В = 1 Дж / 1 Кл.
Потенциал поля в данной точке, находящейся на расстоянии R от заряда Q:
Потенциал поля может быть как положительным, так и отрицательным. Следуя принципу суперпозиции полей, можно утверждать, что если в данной точке пространства известен потенциал поля, созданного отдельно каждым из N зарядов (тел), то потенциал суммарного поля равен алгебраической сумме потенциалов каждого из полей
На практике используют разность потенциалов :
В электрическом поле разность потенциалов между двумя любыми точками равна напряжению между этими точками.
Эквипотенциальная поверхность — поверхность, во всех точках которой потенциал имеет одно и то же значение.
На рисунке показаны эквипотенциальные поверхности точечных положительного и отрицательного зарядов и системы двух положительных зарядов.
Связь между напряженностью электрического поля и напряжением:
